鉴定材料之五⑵
国家大剧院结构工程
爬模架体系的研究与应用
北京城建集团有限责任公司
国家大剧院结构工程 爬模架体系的研究与应用
目 录
1 概况 ...........................................................................................................1 2 工程特点与施工难点 .................................................................................3 3 爬模架方案设计 .........................................................................................3
3.1 方案设计思路 .................................................................................3 3.2 爬架构造与设计要求 ......................................................................4 3.3 爬模架方案 .....................................................................................5 3.4 爬模架混凝土墙面强度验算 .......................................................... 11 4 爬模架施工 ..............................................................................................12
4.1 施工阶段安排 ...............................................................................12 4.2 爬模架爬升工艺............................................................................14 4.3 爬模架安全措施............................................................................14 5 爬模架实施效果 .......................................................................................15
5.1 工程应用效果 ...............................................................................15 5.2 工程质量效果 ...............................................................................15 6 爬模架的技术经济与社会效益分析 .........................................................16
6.1 技术经济效益分析 ........................................................................16 6.2 社会效益分析 ...............................................................................16
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爬模架体系的研究与应用
1 概况
国家大剧院工程结构形式复杂，其主体建筑为椭圆穹形结构，由歌剧院、戏剧院、音乐厅三大剧院组成，总建筑面积155000m2。三大剧院的核心均设计有大型的自动升降式舞台，舞台通道为超高大筒体结构，尤其以歌剧院的舞台通道最为典型,其平面轴线尺寸为33.1m×26.3m，见图1.1。
2K2M2O洞口高度14m47洞口高度13m洞口高度13m49洞口高度14m53 图1.1 歌剧院舞台通道平面图
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主通道主通道图1.2 歌剧院舞台通道剖面图
筒体墙底标高-27.50m，顶标高+32.00m，总高59.50m；墙体厚度均为500mm，25.92～32.00m墙体内埋24根截面为350×500mm的H型钢柱。
筒体墙在-6.00m以上均设计有高大的主、侧舞台台口，其中主舞台洞口尺寸（宽×高）为18.60m×14.00(14.15)m；侧舞台洞口尺寸21.30m×13.00m（见图1.2）。筒体墙外侧楼层标高分别为14.75m、18.15m、22.00m、26.00m、32.00m。
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2 工程特点与施工难点
1、国家大剧院工程施工工期紧，舞台通道从最低的-27.50m至最高的34.00m，贯穿大剧院结构施工的全过程，是一条施工主线，一道关键工序，它的施工进度直接影响到整个结构工程的进度。
2、舞台通道筒体墙总高近60m，内侧临空，类似高层建筑外墙，施工脚手架搭设难度大，施工安全必须充分考虑。
3、矩形筒体内墙面的4个阴角模板配置与使用是一个难点。 4、屋盖型钢梁与墙体内埋的型钢柱用高强螺栓连接，对墙体轴线位置的相对距离精度要求非常高，允许偏差为2mm，实际控制的难度极大。
5、质量指标：舞台通道为关键部位，舞台的自如升降对筒体墙的垂直度有很高的精度要求，允许偏差：5mm/2m，10mm/全高；同时，超高大墙面要取得良好的视觉效果，墙面平整度允许偏差：3mm/2m。
3 爬模架方案设计
3.1 方案设计思路
1、筒体墙超高且内侧临空，安全施工要求高，若采用落地式脚手架，材料、人工耗量太大，且安全性差，宜采用附着式施工架体。
2、结构施工工期非常紧张，如采用“外挂架+大模板”施工方案，外挂架的提升、大模板吊装等问题将影响工程进度。
3、歌剧院舞台通道四周侧墙内壁自-6.00m向上无凸出构件，具备使用爬模架条件。
4、舞台通道筒体墙内侧爬升大模板采用木模以减轻自重，舞台通道外侧各楼层高度不等，墙体外侧模板也使用木模，以便与外侧大模连接固定。
综合以上分析，爬模工艺具备了大模板和滑模共同的优点，在结构施工阶段随墙体施工进度逐层上升，施工速度快；高空作业安全，不用搭设外脚手架；可避免因气候或机械等原因导致停机、停电所产生的不利影响。
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3.2 爬架构造与设计要求
3.2.1 爬架主要构造
爬模架主要由附墙装置、导轨、主承力架及架体系统、爬升系统、防倾、防坠装置以及安全防护系统等部分组成。
爬升机构是有导向、爬升、复位的锁定机构。
3.2.2 爬架的功能设计要求
1、附墙装置直接与工程结构连接，要求具有以下几个功能： ⑴承受传递全套设备及施工荷载和风荷载； ⑵它是导轨及架体爬升时的导向装置和防倾装置； ⑶它的构造还能适应墙面施工及预留孔位时引起的偏差。 2、大模板与爬升脚手架要一体化
爬模系统中设置模板水平移动台车，它通过座落在主承力架面上的齿轮齿条机构实现其水平移动，当支模到位在锁紧模板穿墙螺栓的过程中，使用齿轮齿条的楔形板将其锁紧。
3、爬升系统要平稳
爬升系统能够平稳爬升单片、多片和整体架体。 4、爬升机构和安全装置要可靠，必须设置防坠装置。 5、具备架体与导轨的互爬功能
爬升系统和爬升机构，通过系统的操作，导轨沿着附墙装置爬升，架体沿着导轨爬升。
3.2.3 爬架的节点设计要求
与一般工程爬模用于外墙不同，本工程爬模使用在内筒部位，四个阴角部位的爬架设计是一个难点，因为阴角部位的附墙装置及导轨会影响与其垂直方向的模板向后退出。经反复研究在阴角的处理上采用设浮点机位的方法，在四个阴角的东西向墙面共设了6个浮点机位，该部位主承力架处不设附墙装置，直接靠在墙面，靠邻近的附墙装置支承，在每个角部位
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布置三块模板，西北角及东北角北面的模板、东南角及西南角南面靠近角处的模板在爬模架爬升时必须吊走，以便其垂直方向的模板能够向后退出，架体才能爬升。
3.3 爬模架方案
1、爬架选择原则
⑴满足爬架的功能设计要求。 ⑵能够按节点设计要求改进。
⑶爬架按导向系统主要分为导轨式、导座式、挑梁式三类，要求选择导轨式。
⑷爬架按提升系统主要分为手动葫芦、电动葫芦、液压顶升三类，要求选择液压顶升类。
经过考察众多类型的爬架，决定采用具有国际先进水平的爬模体系——JFYM50整体提升液压爬模系统，并按节点设计要求进行改进。
2、模板选择
爬升大模板使用2440×1220×18mm的Wisa板与I20木工字梁加工主规格为2440×3660mm（宽×高）的木模，具体使用高度范围为-6.00m～+32.00m。
3、爬架方案
爬模架沿舞台通道的筒体内壁周圈配置，共设置42个附着机位及6个浮点机位，共48个机位。其中西北角及东北角各布置1组4个机位的爬模架及1组2个机位的爬模架；东南角及西南角各布置1组6个机位的爬模
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架，四角共布置24个机位。在洞口以上除角部外每面设置2组3个机位的爬模架，共布置24个机位。爬模架机位之间的距离为0.90～4.80m，两端悬挑长度为0.60～1.20m，架体的最大长度为10.60m。
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图3.1 主舞台爬架平面布置图 7
图3.2 爬模架构造图
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图3.3主舞台东北角爬架平面布置大样图 9
北图3.4 主舞台东南角爬架平面布置大样图10 国家大剧院结构工程 爬模架体系的研究与应用
3.4 爬模架混凝土墙面强度验算
3.4.1 基本条件
Q2800VN1A4500G+WB 图3.5 爬架计算简图
1、爬架架体之间两个相邻附墙装置水平间距4.8m。 2、上下预埋螺栓爬升最大间距4.5m。 3、大模板尺寸：4800×4580×218mm。 3.4.2 荷载
1、恒载：爬架装置、大模板、动力设备等 G=（28.0+1.0+13.2）/2=21.1KN
2、活载：施工荷载
W=3.0KN/m2×2×(2.9×0.8)/2=6.96KN
3、风荷载：工作状态时作用在模板上总风力 取基本风压：q0=0.35KN/m2
Q=Kq0hL=1.3×0.35×(2.9×4.58)/2=3.02KN
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4、永久荷载分项系数：γG=1.2 5、可变荷载分项系数：γQ=1.4
3.4.3 附墙点A、B处反力
1、取垂直力平衡∑V1=0得
V1=γG×γQ×（G+W）=1.2×1.4×(21.1+6.96)=47.1KN 2、对B点取矩：∑MB=0得
MB=γG×γQ×[N1×4500-Q×（4500+2800）-（G+W）×800]=0 N1=1/4500[7300×3.02+28.06×800] ×1.2×1.4=16.61KN
3.4.4 混凝土墙面强度验算
混凝土墙厚500mm，混凝土强度等级为C10时，其抗拉设计值为f=0.65KN/mm2，一个附墙支座传给墙面集中荷载：
F1=1.5×N1=1.5×16.61=24.91KN 墙面的冲击承载力： F1≤0.6f1×μm×h0
μm=2(2×h0+πD/2)=2(2×260+3.14×140/2)=1479.6 0.6×0.65×1479.6×260=150031.4N=150KN＞F1=24.91KN 满足要求。
4 爬模架施工
4.1 施工阶段安排
爬模架使用高度范围确定为-6.00m～32.00m，针对舞台通道的结构特点，对爬模架的使用分阶段进行安排（图4.1）。
1、第一阶段
洞口高度范围内，即-6.000m～8.000m，只在筒体四角使用爬模架，在-6.000m以上第2步墙体混凝土（顶标高+1.200m）拆模且达到10MPa强度后开始四个角部爬模架的首次安装。墙体混凝土每步浇筑高度3.600m，
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-6.000m～+1.200m高度范围内墙体施工仍搭设落地式脚手架，爬模架安装完毕后拆除；+1.200～+8.000m高度范围内的墙体施工，爬模架爬升一次即可完成。
与此同时，超大洞口部位仍搭设落地式脚手架进行上部墙梁的支撑兼操作架。
2、第二阶段
洞顶以上两步墙体混凝土施工高度范围内，即+8.000m～+14.750m，筒体四角仍然使用爬模架施工，洞口部位大模板的支撑及操作架使用落地式脚手架。
3、第三阶段
+14.750m～+32.000m，整个舞台通道筒体墙全部使用爬模架，整体爬升。洞口以上的爬模架在洞顶以上第2步混凝土（顶标高+14.750m）拆模且达到10MPa强度后开始首次安装，再向上每楼层爬升一次直到+22.000m楼板，最后一层+22.000m～32.000m爬升两次，即完成全部筒体墙的施工。
34.00m32.00m洞顶以上第七步墙体洞顶以上第六步墙体洞顶以上第五步墙体洞顶以上第四步墙体洞顶以上第三步墙体第二阶段洞顶以上第二步墙体(洞口以上爬模架首次安装)洞顶以上第一步墙体-6.00m以上第四步墙体第一阶段-6.00m以上第二步墙体（四角爬模架首次安装）-6.00m以上第一步墙体-6.00m以上第三步墙体130006000阶段22.00m18.15m14.75m220007.00m8.00m20750-6.00m 图4.1 爬模架施工安排图
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340037504000第三26.00m国家大剧院结构工程 爬模架体系的研究与应用
4.2 爬模架爬升工艺
1、爬模架的安装
首先按要求在墙体上预埋好附墙螺栓的预埋套件，当结构的混凝土强度达到10 Mpa以后，即可在预埋套管处安装螺栓和附墙装置，并在塔吊的配合下，安装主承力架和H型导轨、液压爬升装置、防护栏杆、脚手板、安全网等。
2、拆外墙模板和爬升H型导轨
当浇注的结构混凝土强度达到脱模要求后，进行拆模，在拆模板时，首先拆除模板与预埋件连接的螺栓，然后将模板退出。在混凝土强度达到10Mpa以后，可在预埋套件处安装螺栓和附墙装置，并操作液压爬升装置，将H型导轨爬升到上一层的附墙装置上。
3、架体的爬升
当H型导轨爬升到位后，再操作液压爬升装置，将架体爬升到上一层的附墙装置上，模板就位后，浇注混凝土。
4、再拆墙模板和爬升H型导轨 重复以上的工艺流程直到结束。 5、架体的最后拆除
当爬模架爬升到设计高度后，先用塔吊拆除导轨；再在塔吊的配合下对爬模架进行整体拆除。
防坠装置（上）4.3 爬模架安全措施
4.3.1 安全装置设计
安装板导轨1、为确保爬模架在升降过程中的安全，采用了技术成熟、安全可靠的H型钢导轨与带有凸轮摆动块爬升箱的新型升降机构。为确保万无一失，又专门设置了楔块锁防坠钢铰线防坠装置（下）主梁紧钢铰线的防坠装置（见图5.1）。 图5.1 防坠装置
2、为防止液压油缸油管的破裂，在液压油缸上设置了液压安全锁。 3、按照规定设置了安全防护板、防护栏杆、防护网等安全设施。
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4.3.2 安全施工措施
1、爬模架操作人员均应体检合格、无恐高症、精神正常，经过安全操作培训与考核后，持操作证方可上岗操作。
2、安装前必须严格检查穿墙螺栓孔位置，孔位允许偏差：±10mm,孔径允许偏差：±3mm。
3、爬模架附墙作业必须在“结构混凝土强度达到10Mpa以上，并由主任工程师下达爬升批准书”后进行。
4、爬模架初次安装完毕后，由项目部工程部组织安全、生产、技术人员，验收合格并签字后，方可投入正常使用；爬模架每次爬升前，检查合格后，必须填写爬架爬升前安全检查记录；施工期间，加强检查。
5、结构施工时，施工荷载小于3KN/m,采用大模板施工时,爬模架上只可吊放大模板和站人操作,严格控制施工荷载,不允许超载。
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5 爬模架实施效果
5.1 工程应用效果
1、国家大剧院结构工程工期紧，歌剧院主舞台筒体墙体采用爬模架施工速度快、安全可靠，为结构按期封顶争取了时间。
2、采用爬模架施工，确保了主舞台筒体墙体的轴线位置和工程质量，为劲性屋盖型钢梁的顺利安装打下了坚实的基础。
3、主舞台筒体墙体内侧临空高度近60m，辅以其它安全措施，全过程实现了安全生产无事故。
5.2 工程质量效果
1、混凝土无蜂窝、麻面现象，外观质量优良；经实测，筒体墙体厚度偏差在±3mm以内，筒体墙体混凝土的表面平整度在3mm/2m以内，满足施工规范规定；筒体墙体的垂直度偏差在4mm/2m以内，8mm/全高以内，完全满足主舞台设备安装质量标准的要求。
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2、筒体墙体各层的轴线位置偏差均在3mm以内，为25.92～32.00m墙体内埋的型钢柱轴线位置的相对距离控制在2mm以内创造了有利条件。
6 爬模架的技术经济与社会效益分析
6.1 技术经济效益分析
在实施本方案之前，共考虑了三个方案：落地式脚手架+大模板方案；全钢大模板+外挂架方案；爬模架方案。
整个舞台通道筒体墙内侧模板总面积432m2，-6.00m～+32.00m高度范围内的结构施工预计工期为6个月。
方案经济分析 方案名称 落地式脚手架+大模板方案 全钢大模板+外挂架方案 爬模架方案
从表6.1可以看出，全钢大模板+外挂架方案最为经济，但计算时按租赁考虑，实际上舞台通道墙体所需要的大模板规格在现有的租赁市场上没有，如果一次性购置则费用太大，给后续工程使用又不具备通用性，塔臂范围内无可利用的大模板存放场地，不具备可实施性。
落地式脚手架最不经济，工耗大，工效低。
表6.1
费用（万元） 35.37 20 22 6.2 社会效益分析
爬模架技术先进，安全可靠；节省吊次，工效明显；操作简便，价格合理。是高大竖向结构较为合适的选择。使用爬模架施工的墙体结构质量达到了预期效果（图6.1），受到业主和监理单位的一致好评，取得了良好的社会效益。
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图6.1墙体混凝土成型效果
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